interface 在 golang 中是一個非常重要的特性。它相對於其它語言有很多優勢：

1. duck typing。大多數的靜態語言需要顯示的聲明類型的繼承關系。而 golang 通過 interface 實現了?duck typing， 使得我們無需顯示的類型繼承。
2. 不像其它實現了?duck typing?的動態語言那樣，只能在運行時才能檢查到類型的轉換錯誤。而 golang 的 interface 特性可以讓我們在編譯時就能發現錯誤。

本文將簡單分析 interface 的實現原理。

interface 的數據結構

eface 和 iface

• eface?表示空的?interface{}
  ，它用兩個機器字長表示，第一個字 _type 是指向實際類型描述的指針，第二個字 data 代表數據指針。
• iface?表示至少帶有一個函數的 interface， 它也用兩個機器字長表示，第一個字 tab 指向一個 itab 結構，第二個字 data 代表數據指針。

data

data 用來保存實際變量的地址。

data 中的內容會根據實際情況變化，因為 golang 在函數傳參和賦值時是?值傳遞?的，所以：

1. 如果實際類型是一個值，那麽 interface 會保存這個值的一份拷貝。interface 會在堆上為這個值分配一塊內存，然後 data 指向它。
2. 如果實際類型是一個指針，那麽 interface 會保存這個指針的一份拷貝。由於 data 的長度恰好能保存這個指針的內容，所以 data 中存儲的就是指針的值。它和實際數據指向的是同一個變量。

以 interface{} 的賦值為例：

上圖中, i1 和 i2 是 interface，A 為要賦值給 interface 的對象。

• i1 = A?將 A 的值賦值給 i1，則 i1 中的 data 中的內容是一塊新內存的地址 (0x123456)，這塊內存的值從 A 拷貝。
• i2 = &A?將 A 的地址賦值給 i2，則 i2 中的 data 的值為 A 的地址，即 0xabcdef；

itab

itab 表示 interface 和 實際類型的轉換信息。對於每個 interface 和實際類型，只要在代碼中存在引用關系， go 就會在運行時為這一對具體的 <Interface, Type> 生成 itab 信息。

• inter 指向對應的 interface 的類型信息。
• type 和 eface 中的一樣，指向的是實際類型的描述信息 _type
• fun 為函數列表，表示對於該特定的實際類型而言，interface 中所有函數的地址。

_type

_type 表示類型信息。每個類型的 _type 信息由編譯器在編譯時生成。其中:

• size 為該類型所占用的字節數量。
• kind 表示類型的種類，如 bool、int、float、string、struct、interface 等。
• str 表示類型的名字信息，它是一個 nameOff(int32) 類型，通過這個 nameOff，可以找到類型的名字字符串
• 灰色的 extras 對於基礎類型（如 bool，int, float 等）是 size 為 0 的，它為復雜的類型提供了一些額外信息。例如為 struct 類型提供 structtype，為 slice 類型提供 slicetype 等信息。
• 灰色的 ucom 對於基礎類型也是 size 為 0 的，但是對於?type Binary int?這種定義或者是其它復雜類型來說，ucom 用來存儲類型的函數列表等信息。
• 註意 extras 和 ucom 的圓頭箭頭，它表示 extras 和 ucom 不是指針，它們的內容位於 _type 的內存空間中。

interfacetype

interfacetype 也並沒有什麽神奇的地方，只是 _type 為 interface 類型提供的另一種信息罷了。 它包括這個 interface 所申明的所有函數信息。

interface 相關的操作

itab 中函數表（fun） 的生成

假設 interface 有 ni 個函數， struct 有 nt 個函數，那麽 itab 中的函數表生成的時間復雜度為 O(ni*nt) （遍歷 interface 的所有函數，對每次叠代都從 struct 中遍歷找到匹配的函數）。 但實際上編譯器對此做了優化，它將 interfacetype 中的函數列表和 uncommontype 中的函數列表都做了排序. 所以實現了 O(ni+nt) 時間復雜度的算法。

// 生成 itab 的 funcs 的算法
// 代碼摘錄自 $GOROOT/src/runtime/iface.go
// 經過了部分修改，只保留了最核心的邏輯

var j = 0
for k := 0; k < ni; k++ {
    mi := inter.methods[k]
    for ; j < nt; j++ {
        mt := t.methods[j]
        if isOk(mi, mt) {
            itab.fun[k] = mt.f
        }
    }
}

interface 參數傳遞與函數調用

type Binary uint64

func (i Binary) String() string {
    return strconv.FormatUint(uint64(i), 10)
}

type Stringer interface {
    String() string
}

func test(s Stringer) {
    s.String()
}

func main() {
    b := Binary(0x123)
    test(b)
}

在上面的代碼中，golang 的參數傳遞過程是：

1. 分配一塊內存 p， 並且將對象 b 的內容拷貝到 p 中；
2. 創建 iface 對象 i，將 i.tab 賦值為 itab<Stringer, Binary>。將 i.data 賦值為 p；
3. 使用 i 作為參數調用 test 函數。

當 test 函數執行 s.String 時，實際上就是在 s.tab 的 fun 中索引（索引由編譯器在編譯時生成）到 String 函數，並且調用它。

參考資料：

1. Why I like Go’s interfaces
2. duck typing
3. Go Data Structures: Interfaces
4. go 源碼?https://github.com/golang/go/tree/master/src/runtime

本文始發於https://zhuanlan.zhihu.com/p/60983066

淺析 golang interface 實現原理